一种热电比拟实验装置的制作方法

本实用新型涉及到一种实验装置，特别涉及到一种热电比拟实验装置。

背景技术：

工程技术中有三种类型的传热问题：传热强化、传热削弱以及温度控制，要解决这三类问题，必须能够准确地计算所研究过程中传递的热量，准确地预测物体中的温度分布，其中预测温度分布是关键。固体内部温度难以直接测量，特别是几何形状比较复杂的稳定导热问题，很难获得物体内部的温度分布。

对于稳态过程，描写物体温度分布的导热微分方程与导体中电压分布的微分方程相类似，说明可以用电压分布来模拟温度分布。具体模拟求解时，需按照模拟原则建立一个与所研究的导热系统等效的电阻网络，令电阻网络的总电压对应于导热系统总温差，则电压分布代表热系统温度分布，电流强度代表热系统的热流量，电阻代表热阻。

随着计算机技术的迅速发展，对物理问题进行离散求解的数值方法发展迅速，包括有限差分法、有限元法及边界元法，其中有限差分法应用较为广泛，且与传热学中稳态导热的数值解法密切结合，但本科生学习及应用的难度较大。

目前的热电比拟实验装置，存在一些不足之处。形状较为单一，不能实现多种热边界条件下固体内部温度场的测量需求；测量面板与电阻网络建立在一块板的正反面上，用焊接实现电路连接，容易出现断点；测量面板、电源、测量仪表分散布置，用万用表测量并手动记录数据，装置不够紧凑，信息化水平较低。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种热电比拟实验装置，用于研究稳态导热固体内部的温度场，可实现自动化测量、计算并实时显示温度分布。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

一种热电比拟实验装置，包括模拟机、直流稳压电源、平板电脑和数据采集卡；模拟机上设置有内/外供电切换开关和外部电源输入接口；

模拟机与内/外供电切换开关相连，内/外供电切换开关与直流稳压电源和外部电源输入接口均相连；

数据采集卡与平板电脑相连；

模拟机包括水平设置的测量面板和电阻网络板，测量面板和电阻网络板之间设置有支撑柱，测量面板顶面均匀布置有若干六角接线柱，底面设置有印刷电路，六角接线柱通过表笔与数据采集卡相连，电阻网络板的顶面设置有印刷电路，底面均匀布置有若干节点，位于同一行和同一列上的相邻节点之间距离相等；相邻节点之间通过电阻连接，每个节点与每个六角接线柱相对应，每个六角接线柱与六角接线柱正下方的节点通过印刷电路和排线连接器相连。

本实用新型进一步的改进在于，还包括顶部开口的壳体，壳体顶部设置有盖板，模拟机和直流稳压电源设置在壳体内，平板电脑和数据采集卡设置在盖板上。

本实用新型进一步的改进在于，直流稳压电源上装有调压模块，调压模块包括粗调旋钮和细调旋钮。

本实用新型进一步的改进在于，外部电源输入接口与外接电源相连。

本实用新型进一步的改进在于，测量面板和电阻网络板均为pcb线路板。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：提出了一种基于热电相似原理，借助数据采集和处理获得稳态导热固体内部温度场的实验装置，本实用新型通过将模拟机、直流稳压电源、平板电脑、数据采集卡集成为一体，装置结构紧凑，便于携带；测量面板上的六角接线柱与电阻网络板上的节点通过印刷电路和排线连接器相连，结构牢靠，信号稳定不易出现断路；模拟机配备直流稳压电源同时预留外部电源接口，确保装置能够满足使用需求；平板电脑和数据采集卡可实现屏幕触摸测量、数据采集并实时显示温度曲线，提升了实验教学装置的技术水平。本实用新型结构简单，原理清晰，紧扣《传热学》稳态导热知识，适用于本科生实验教学。

本实用新型可自由选择电压与温度的模拟比例系数，将模拟机加载电压值控制在10v以内，确保测量过程安全操作。本实用新型提供了一种通过电场模拟温度场以及边界条件处理的基本思路，通过改造测量面板形状、电阻，可以进行多种研究对象和边界条件的测量，适宜推广使用。本实用新型将数值解法与区域离散概念应用于热电比拟方法中，在获得稳态导热固体内部温度场的同时，帮助学生深入了解抽象的数值计算理论。

附图说明

图1为本实用新型实验装置图。

图2为模拟机结构示意图。

图3为离散过程示意图。

图4为内部节点周围电阻分布图。其中，(a)为内部节点，(b)为内部电阻。

图5为绝热边界条件电阻分布图。其中，(a)为热边界，(b)为电边界。

图6为对流边界条件电阻分布图。其中，(a)为热边界，(b)为电边界。

图7为物理模型。

图8为本实用新型的实施例1的等温边界条件的电阻网络示意图。

图9为本实用新型的实施例1的等温边界条件的印刷电路示意图。

图10为实施例1的墙体内部温度分布图。

图11为本实用新型实施例2的对流边界条件的电阻网络示意图。

图12为本实用新型实施例2的对流边界条件的印刷电路示意图。

图13为实施例2的墙体内部温度分布图。

其中，1为模拟机；2为直流稳压电源；3为平板电脑；4为数据采集卡；5为粗调旋钮；6为细调旋钮；7为电压显示屏；8为内/外供电切换开关；9为外接电源输入口；10为测量面板；11为电阻网络板；12为支撑柱；13为六角接线柱；14为排线连接器；15为表笔。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本实用新型进行详细说明。

本实用新型涉及一种利用热电相似的原理来研究固体内部温度分布及散热量的自动化实验教学装置，参见图1，包括模拟机1、直流稳压电源2、平板电脑3和数据采集卡4；模拟机1与内/外供电切换开关8相连，内/外供电切换开关8与直流稳压电源2和外部电源输入接口9均相连，外部电源输入接口9与外接电源相连，可由直流稳压电源2供电或外接电源供电，直流稳压电源2与电压显示屏7相连，直流稳压电源2上装有调压模块，调压模块包括粗调旋钮5和细调旋钮6，通过粗调旋钮5和细调旋钮6可将电压调节至小数点后三位并保持稳定，根据边界条件调整模拟机加载电压值，电压值大小显示在电压显示屏7上，内/外供电切换开关8可切换模拟机1供电方式，当直流稳压电源2有异常时，可采用外部供电，外接电源连接外部电源输入接口9。

优选的，直流稳压电源2内置于模拟机1中，直流稳压电源2的电压范围不超过10v。

优选的，为便于携带，可以将模拟机1与直流稳压电源2设置在顶部开口的壳体内，壳体顶部设置有盖板，并且能够盖在壳体顶部。本实用新型为一体化设计。

表笔15放入六角接线柱13测量对应节点电势值，送入数据采集卡4，a/d转换后送入平板电脑2，经平板电脑2计算后将节点温度值显示在屏幕上。

测量面板10和电阻网络板11形状相同。

模拟机1的核心部件为电阻网络板11，电阻网络板11形状与研究对象对应，按照一定间距划分为若干个节点，用电阻元件将节点连接起来构造成电阻网络；测量面板上的六角接线柱13与电阻网络板11上的节点对应设置，通过印刷电路和排线连接器实现连接，电阻元件采用高精度数字电压表精选，阻值误差在3％以内。

数据采集卡4采用一路以上模拟量输入通道，转换精度12位，采样频率在20ks/s以上。

具体的，参见图2，模拟机1包括水平设置的测量面板10和电阻网络板11，测量面板10和电阻网络板11均为pcb线路板。测量面板10和电阻网络板11之间设置有支撑柱12，测量面板10顶面均匀布置有若干六角接线柱13，底面设置有印刷电路，六角接线柱13通过表笔15与数据采集卡4相连，电阻网络板11的顶面设置有印刷电路，底面均匀布置有若干节点，位于同一行和同一列上的相邻节点之间距离相等；相邻节点之间通过电阻连接，每个节点与每个六角接线柱相对应，每个六角接线柱与六角接线柱正下方的节点通过印刷电路和排线连接器14相连。

一种基于上述实验装置的热电比拟方法的流程如下：

1)根据稳态导热固体的热边界条件确定电阻网络板的边界节点，根据模拟比例系数给电阻网络板的边界节点加载10v以内的电压；

2)在平板电脑上设置测量区域，测量区域形状与模拟机的测量面板形状相同，测量区域内设置测点，测点位置与测量面板上六角接线柱位置一一对应。将表笔放入测量面板上的六角接线柱，待对应测点上出现电压数据后，再按照同一方法测量下一测点，直至测量全部完成；

3)根据模拟比例系数，计算节点的温度，获得稳态导热固体的内部温度场。

其中，通过下式计算节点的温度；

其中，ei为第i节点的电势，e1为边界节点电势，ti为第i节点的温度，t1为边界节点温度，c为模拟比例系数。

本实用新型的原理如下：

稳态导热过程和导电过程都可以用拉普拉斯方程来表示，表明导热和导电两类现象具有相类似的规律，可以类比，因此，在几何相似、物理相似和边界相似的条件下，可用稳态电势场来模拟稳态温度场。

具体模拟求解时，需按照模拟原则建立一个与所研究的导热系统等效的电阻网络，令电阻网络的总电压对应于导热系统总温差，则电压分布代表热系统温度分布，电流强度代表热系统的热流量。

本实用新型装置电阻网络的建立基于导热问题数值求解的基本思想，即将原来连续的导热物体的温度场用有限个离散点上的值的集合来代替。首先进行区域离散化，参见图3，用一系列与坐标轴平行的网格线将求解区域划分为许多子区域，以网格线的交点作为需要确定温度值的空间位置，称为节点，相邻两节点的距离称为步长，记为δx、δy。节点的位置以该点在两个方向上的标号m、n来表示，每个节点都可以看成是以它为中心的一个小区域的代表，如图3中有阴影线的小区域即是节点(m、n)所代表的区域，称为控制容积。离散完成后连续的物理量由位于计算区域内部的节点和边界节点代替。

一种热电比拟实验装置中的电阻网络板上的电阻网路建立的方法为，首先根据微分方程相类似的基础建立内部节点的模拟。参见图4，内部节点(i,j)周围有四个节点(如图4(a)所示)和它进行导热传热，以电阻模拟热阻、电势模拟温度、电流模拟导热量的原则建立电阻网络模型，如图4(b)所示。

稳态导热内部节点的导热方程为：

ti+1,j+ti-1,j+ti,j+1+ti,j-1-4ti,j＝0

相应的导电方程为：

式中ti,j为对应节点上的温度，ei,j为节点电势值，r为节点间电阻，满足r1＝r2＝r3＝r4时，两个方程相类似，实现内部节点的模拟处理。

下面为3种边界条件对应的电阻网络的建立方法。

a.等温边界条件节点模拟方法为电阻网络模型的边界节点保持等电势即可。

b.绝热边界条件节点模拟方法。参见图5，边界节点(i,j)代表二分之一的控制容积，周围有三个节点(图5(a))和它进行导热传热，以电阻模拟热阻、电势模拟温度、电流模拟导热量的原则建立电阻网络模型(图5(b))。

绝热边界节点的导热方程为：

相应的导电方程为：

式中ti,j为对应节点上的温度，ei,j为节点电势值，r为节点间电阻，满足r2＝r3＝2r1，两个方程相类似，实现绝热边界节点的模拟处理。

c.对流边界条件节点模拟方法。参见图6，边界节点(i,j)代表二分之一的控制容积，周围除三个节点(图6(a))和它进行导热传热外，还有温度为t∞、对流换热系数为h的流体和它进行对流传热，以电阻模拟热阻、电势模拟温度、电流模拟导热量的原则建立电阻网络模型(图6(b))。

对流边界节点的导热方程为：

相应的导电方程为：

式中ti,j为对应节点上的温度，ei,j为节点电势值，ri为节点间电阻，l为热系统的网格间距(即步长)。同时满足r2＝r3＝2r1以及时，两个相类似，实现对流边界节点的模拟处理。

以某一墙体为研究对象，外壁宽2.2m，长3m，内壁宽1.2m，长2m，见图7。墙体导热系数为λ＝0.53w/(m·k)，研究不同边界条件下墙体内部的温度分布。

实施例1：等温边界条件

假定墙体为一东北地区民居墙壁，墙体内壁布置有电加热器，保持内壁温度为t1＝35℃，外壁温度为t2＝5℃，研究炉墙散热量，确定是否需要加厚墙体。由于墙体横截断面几何形状对称，四周边界条件相同，为简化处理，根据对称性只取1/4作为研究对象，见图7中阴影部分，与模拟机1上测量面板10和电阻网络板11形状相同。

墙体厚度为0.5m，电阻网络板上按l＝0.1m的间距划分节点，共分为6排，参见图8，第一边界a布置有12个节点，第二边界b布置有16个节点，第三边界c、第六边界f布置有6个节点，内部节点均匀分布，共计132个节点，其中内部节点80个，边界节点52个。

每个内部节点布置有4个阻值相同的电阻r1；第一边界a与第二边界b上节点温度相等，第四边界d与第五边界e上节点温度相等，温度相同的节点之间粗铜线连接，代表节点电势相等；由于对称性，第三边界c、第六边界f上节点与周围绝热，边界节点之间的电阻阻值是内部节点间电阻的2倍，串联了两个电阻r1，电阻个数共计204个。模拟机1的测量面板上布置6排接线柱，对应的电阻网络板11参见图8，印刷电路连接方式见图9。

选取模拟比例系数则加载电压δe＝3.000v，给模拟机1加载电压，测量各节点电势，获得墙体内部的温度分布如图10所示。

实施例2：对流边界条件

假定墙体为一冷库，冷库外流体温度为t∞1＝20℃，对流换热系数h2＝10.6w/(m².k)冷库内流体温度为t∞2＝0℃，对流换热系数h1＝3.975w/(m².k)，研究墙体内的温度分布以及冷量流失，确定墙体是否需要进行保温处理。

由于墙体横截断面几何形状对称，四周边界条件相同，为简化处理，根据对称性只取1/4作为研究对象，见图7中阴影部分，与模拟机1上的测量面板10和电阻网络板11形状相同。

墙体厚度为0.5m，电阻网络板上按l＝0.1m的间距划分节点，共分为6排，墙体外侧有流体，需布置模拟流体的节点，因此模拟机1的测量面板10上设置有8排接线柱。参见图11，第一边界a布置有13个节点，第二边界b布置有17个节点，第三边界c、第六边界f各布置有8个节点，内部节点均匀分布，共有176个节点，其中内部节点120个，边界节点56个。

每个内部节点布置有4个阻值相同的电阻r1；第一边界a与第二边界b上为流体节点，节点温度相等，第四边界d与第五边界e上为流体节点，节点温度相等，温度相同的节点之间粗铜线连接，代表节点电势相等；第一边界a、第二边界b、第四边界d、第五边界e分别往内一排的节点代表固体边界，第一边界a与第二边界b上流体节点与固体边界节点之间布置有电阻r42，第四边界d与第五边界e上流体节点与固体边界节点之间布置有电阻r41，固体边界上相邻节点之间串联两个电阻r1，角点(b、f)上流体节点与固体边界节点之间的电阻为2r42，角点(c、e)上流体节点与固体边界节点之间的电阻为2r41；由于对称性，第三边界c、第六边界f上节点与周围绝热，边界节点之间的电阻阻值是内部节点间电阻的2倍，串联了两个电阻r1，电阻个数共计336个。对应的电阻网络板11参见图11，印刷电路连接方式见图12。

选取模拟比例系数则加载电压δe＝2.000v，给模拟机1加载电压，测量各节点电势，墙体内部的温度分布如图13所示。

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